Čo sú gama záblesky (GRB)? Definícia, príčiny a dôsledky
Objavte, čo sú gama záblesky (GRB), ich pôvod (kolapsy hviezd, splynutia neutrónových hviezd), priebeh a potenciálne dôsledky pre vesmír a Zem.
Záblesky gama žiarenia (GRB) sú záblesky gama žiarenia z extrémne energetických výbuchov. Boli pozorované vo vzdialených galaxiách. Sú to najžiarivejšie elektromagnetické udalosti, ktoré sa vo vesmíre vyskytujú.
Výbuchy môžu trvať od milisekúnd do niekoľkých minút, hoci typický výbuch trvá niekoľko sekúnd. Po počiatočnom výbuchu zvyčajne nasleduje dlhšie trvajúci "dozvuk" vyžarovaný na dlhších vlnových dĺžkach (röntgenové, ultrafialové, viditeľné svetlo, infračervené a rádiové vlny). Tento dozvuk (afterglow) umožňuje presnejšie určiť polohu zdroja a študovať jeho prostredie.
Klasifikácia podľa dĺžky trvania
GRB sa zvyčajne delia na dve hlavné triedy podľa dĺžky počiatočného záblesku:
- Dlhé záblesky (trvajúce viac než ~2 sekundy) — spojené s gravitačným kolapsom masívnych hviezd a často sprevádzané supernovami.
- Krátke záblesky (kratšie než ~2 sekundy) — pravdepodobne sú spôsobené splynutiami kompaktných objektov, napr. spojením binárnych neutrónových hviezd, alebo neutrónovej hviezdy s čiernou dierou.
Príčiny a progenitori
Väčšina GRB je úzkym lúčom intenzívneho žiarenia uvoľneného počas supernovy, keď sa obrovská rýchlo rotujúca hviezda zrúti a vytvorí čiernu dieru. Tento scenár sa často označuje ako "collapsar" — kolaps jadra veľmi hmotnej hviezdy, ktorý vytvorí akréčnú disketu a dvojicu relativistických džíetov. Podtrieda GRB ("krátke" záblesky) pochádza z iného procesu, možno zo splynutia binárnych neutrónových hviezd alebo neutrónovej hviezdy s čiernou dierou. Takéto zrážky môžu vyvolať krátky GRB a zároveň produkovať ťažké prvky (napr. zlato) počas tzv. kilonovej emisii.
Fyzika a mechanizmy
Hlavné fyzikálne rysy GRB zahŕňajú:
- Relativistické džíety: Materiál je vyvrhnutý s Lorentzovými faktormi stovky až tisíce, čo spôsobuje úzky lúč žiarenia a silné Dopplerovo zosilnenie.
- Promptné žiarenie: Krátky, intenzívny záblesk gama fotónov. Mechanizmy zahŕňajú vnútorné šoky, magnetické rekonekcie alebo fotosférické emisie; spektrum sa často modeluje pomocou tzv. Bandovej funkcie.
- Afterglow: Interakcia džíetu s okolitým prostredím vytvára externé šoky, ktoré žiaria na dlhších vlnových dĺžkach (röntgen, optika, rádio) a postupne klesajú.
Energetika a vzdialenosti
Zdroje väčšiny GRB sú od Zeme vzdialené miliardy svetelných rokov. To naznačuje, že výbuchy sú extrémne energetické: typický výbuch uvoľní za niekoľko sekúnd toľko energie, ako Slnko za celú svoju životnosť 10 miliárd rokov. Izotropicky vyjadrená energia (E_iso) môže dosahovať až ~10^54 erg, no ak je emisia silne zúžená do lúča, skutočná energetická bilancia môže byť niekoľko rádov nižšia (typicky 10^50–10^52 erg).
GRB sú relatívne zriedkavé; odhady hovoria o niekoľkých zábleskoch na jednu galaxiu za milión rokov. Aj tak však vďaka veľkým vzdialenostiam a jasnosti vidíme mnohé udalosti v celom obzore.
Pozorovania a historické misie
Prvé systematické pozorovania GRB výrazne rozšírili družice a prístroje citlivé na gama žiarenie. Medzi najdôležitejšie patrili satelity ako BATSE (na palube CGRO), ktoré preukázali, že GRB sú rozdelené izotropicky po oblohe, čo naznačovalo ich extragalaktický pôvod. Moderné misie ako Swift a Fermi umožňujú rýchle lokalizovanie a sledovanie promptného žiarenia aj afterglow v röntgenovej, optickej a rádiovej oblasti, čo umožnilo určiť vzdialenosti (červené posuny) a spájať dlhé GRB so supernovami a krátke GRB s kilonovami.
Historicky významnou udalosťou bolo spojenie gravitačných vĺn a GRB: detekcia gravitačného signálu GW170817 bola sprevádzaná krátkym GRB 170817A, čo potvrdilo spojitosť medzi splynutiami neutrálnych hviezd a niektorými krátkymi GRB.
Hostiteľské galaxie a použitie ako kozmické sondy
Hostiteľské galaxie dlhých GRB sú často aktívne formujúce hviezdy, bohaté na mladé, hmotné hviezdy — sú teda miestom, kde sa rodia ich progenitori. Krátke GRB sa môžu vyskytovať aj v starších galaxiách bez intenzívnej formácie hviezd. Vďaka extrémnej jasnosti sú GRB využívané ako sondy pre štúdium veľmi vzdialeného vesmíru; niektoré GRB boli detegované v čase, keď vesmír mal len niekoľko stoviek miliónov rokov (najväčšie známe červené posuny ~8–9 a vyššie pre kandidátov).
Rozdiel od magnetarov a mäkkých gama opakovačov
Všetky pozorované GRB pochádzajú z oblasti mimo galaxie Mliečnadráha. Podobné javy, mäkké gama vzplanutia, sa spájajú s magnetarmi v Mliečnej dráhe. Tieto miestne udalosti (soft gamma repeaters, SGR) sú nižšej energetickej škály a majú odlišné spektrálne a časové charakteristiky než klasické kozmové GRB.
Dôsledky pre Zem a riziká
Predpokladá sa, že gama záblesk v Mliečnej dráhe by mohol spôsobiť hromadné vymieranie na Zemi, ak by sa lúč namieril priamo na našu planétu a došlo by k výraznému poškodeniu ozónovej vrstvy a ionizácii atmosféry. Takýto scenár by bol však extrémne nepravdepodobný vzhľadom na nízku frekvenciu GRB v jednej galaxii a na veľmi úzke smerovanie džíetov. Žiadny takýto prípad nie je známy a neexistuje dôkaz, že by historické vymierania boli spôsobené GRB.
Čo ešte je predmetom výskumu?
- Presné mechanizmy promptného žiarenia (vnútorné šoky vs. magnetické procesy vs. fotosféra).
- Distribúcia uhlov vychýlenia džíetov a korektory pre energetické odhady.
- Vzťah medzi krátkymi GRB, gravitačnými vlnami a produkciou ťažkých prvkov.
- Využívanie GRB ako sond pre medzigalaktické médium a skorý vesmír.
GRB zostávajú jedným z najintenzívnejších a najzaujímavejších javov modernej astrofyziky: kombinujú extrémnu fyziku, multi-messenger astronómiu a možnosť skúmať vesmír v časoch veľmi blízkych jeho začiatkom.
Umelecká ilustrácia jasného gama záblesku v oblasti formovania hviezd. Energia z explózie je vyžarovaná do dvoch úzkych, opačne smerovaných prúdov.
História
Záblesky gama žiarenia boli prvýkrát pozorované koncom 60. rokov 20. storočia americkými satelitmi Vela, ktoré boli skonštruované na detekciu impulzov gama žiarenia vysielaného jadrovými zbraňami testovanými vo vesmíre.
2. júla 1967 o 14:19 UTC satelity Vela 4 a Vela 3 zaznamenali záblesk gama žiarenia, ktorý sa nepodobal žiadnej známej signatúre jadrových zbraní. Tím vo vedeckom laboratóriu v Los Alamos si nebol istý, čo sa stalo, ale nepovažoval túto záležitosť za mimoriadne naliehavú, a tak údaje uložil na preskúmanie.
Analýzou rôznych časov príchodu zábleskov, ktoré zaznamenali rôzne satelity, sa tímu podarilo určiť hrubé odhady pozícií šestnástich zábleskov na oblohe12-16 a definitívne vylúčiť pozemský alebo slnečný pôvod. Objav bol publikovaný v roku 1973.
Poloha všetkých gama zábleskov na oblohe zistených počas misie BATSE. Rozloženie je náhodné, bez koncentrácie smerom k rovine Mliečnej dráhy, ktorá prechádza horizontálne stredom snímky.
Dlhé gama záblesky
Väčšina pozorovaných udalostí trvá dlhšie ako dve sekundy a klasifikuje sa ako dlhé gama záblesky. Skúmajú sa oveľa podrobnejšie ako ich krátke náprotivky. Takmer každý dobre preskúmaný dlhý gama záblesk bol spojený s rýchlo sa formujúcou galaxiou a v mnohých prípadoch aj so supernovou s rozpadom jadra. To spája dlhé GRB so zánikom masívnych hviezd. Pozorovania dlhých zábleskov GRB pri vysokom červenom posune (veľké vzdialenosti) tiež naznačujú, že GRB vznikajú v oblastiach s formovaním hviezd. Pozorovanie vzdialených galaxií totiž znamená pohľad späť v čase do galaxií v skoršom štádiu.
Energetika
Predpokladá sa, že gama záblesky sú vysoko koncentrované explózie, pričom väčšina energie výbuchu sa nachádza v úzkom relativistickom prúde, ktorý sa pohybuje rýchlosťou viac ako 99,995 % rýchlosti svetla.
Približnú uhlovú šírku trysky (t. j. stupeň vyžarovania) možno odhadnúť priamo pozorovaním "zlomov trysky" vo svetelných krivkách dosvitu: čas, po ktorom pomaly sa rozpadajúci dosvit začne náhle slabnúť, pretože tryska sa spomaľuje a už nedokáže tak efektívne vyžarovať svoje žiarenie. Pozorovania naznačujú výrazné zmeny uhla trysky v rozmedzí od 2 do 20 stupňov.
Pretože ich energia je silne vyžarovaná (veľmi úzka), gama žiarenie vysielané väčšinou výbuchov minie Zem a nikdy nie je detekované. Keď je gama záblesk nasmerovaný na Zem, sústredenie jeho energie pozdĺž relatívne úzkeho lúča spôsobí, že záblesk sa javí oveľa jasnejší, ako keby bola jeho energia vyžarovaná sféricky. Ak sa tento efekt zohľadní, pri typických gama zábleskoch sa pozoruje skutočné uvoľnenie energie približne 1044 J, čo je približne 1/2000 energetického ekvivalentu hmotnosti Slnka.
To je porovnateľné s energiou uvoľnenou pri jasnej supernove typu Ib/c (niekedy nazývanej "hypernova"). Veľmi jasné supernovy boli pozorované v polohe niektorých najbližších GRB.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo sú to gama záblesky?
Odpoveď: Záblesky gama žiarenia (GRB) sú záblesky gama žiarenia z extrémne energetických výbuchov.
Otázka: Ako dlho zvyčajne trvajú GRB?
Odpoveď: GRB môžu trvať od milisekúnd do niekoľkých minút, hoci typický výbuch trvá niekoľko sekúnd.
Otázka: Čo je zdrojom väčšiny GRB?
Odpoveď: Väčšina GRB je úzkym zväzkom intenzívneho žiarenia uvoľneného počas supernovy, keď sa obrovská rýchlo rotujúca hviezda zrúti a vytvorí čiernu dieru.
Otázka: Odkiaľ pochádza väčšina pozorovaných GRB?
Odpoveď: Všetky pozorované GRB pochádzajú z oblasti mimo galaxie Mliečna dráha.
Otázka: Koľko energie uvoľní priemerný výbuch?
Odpoveď: Typický výbuch uvoľní za niekoľko sekúnd toľko energie, koľko uvoľní Slnko za celú svoju životnosť 10 miliárd rokov.
Otázka: Ako zriedkavé sú udalosti GRB?
Odpoveď: Sú veľmi zriedkavé (niekoľko na galaxiu za milión rokov).
Otázka: Môžu byť záblesky gama žiarenia nebezpečné aj v našej galaxii?
Odpoveď: Predpokladá sa, že gama záblesk v Mliečnej dráhe by mohol spôsobiť hromadné vymieranie na Zemi, ale takýto prípad nie je známy.
Prehľadať